Le cerveau des mammifères est un réseau complexe de milliards de cellules connectées via des milliards de nœuds que les neuroscientifiques n’ont pas encore démêlé. Maintenant, les chercheurs ont cartographié les nombreuses cellules du cerveau et les connexions dans une partie du cerveau de souris couvrant seulement 1 millimètre cube – à peu près la taille d’un grain de sable.
« Un millimètre semble petit, mais au sein de ce millimètre, il y a des kilomètres de câblage, » Jacob Reimerun neuroscientifique du Baylor College of Medicine, a déclaré à Live Science. Reimer est l’auteur principal de l’une des 10 nouvelles études dans lesquelles les scientifiques ont détaillé comment ils ont construit cette remarquable carte cérébrale.
Reimer fait partie du Consortium micronsune équipe de plus de 150 chercheurs de plusieurs institutions américaines. Dans leur série d’articles publiés dans Nature Journals le 9 avril, les chercheurs ont non seulement dévoilé La carte neuronale 3Dappelé un « connectome », mais a également décrit comment ils ont utilisé cet ensemble de données pour explorer le fonctionnement du cerveau.
« Cette approche comble un écart fondamental dans les neurosciences entre l’observation des neurones et la compréhension de la façon dont ils sont connectés », » Lilianne Mujica-Parodiun neuroscientifique de l’Université Stony Brook qui n’était pas impliqué dans le travail, a déclaré à Live Science dans un e-mail.
Comment la carte du cerveau a été tracée
Les chercheurs ont construit le Connectome à l’aide d’une souris de laboratoire en direct qui a été génétiquement modifiée afin que ses neurones brillent lorsqu’ils sont excités. Cela a permis aux chercheurs de détecter les cellules du cerveau à l’aide d’un microscope tandis que la souris regardait des vidéos et des clips YouTube, y compris des scènes de « Mad Max: Fury Road », « The Matrix » et « Star Wars: Episode VII – The Force Awakens ».
Les chercheurs ont enregistré l’activité cérébrale de 76 000 neurones dans un bloc millimètre cube du lobe occipital, qui est situé à l’arrière du cerveau et est la clé du traitement visuel. Plus tard, l’équipe a extrait le cerveau de la souris et examiné ses caractéristiques anatomiques, telles que les formes de cellules et les connexions, du même lobe à l’aide d’un microscope électronique.
Ensuite, en utilisant les images anatomiques et brillantes comme guides, un apprentissage automatique L’algorithme a tracé les cellules cérébrales et leurs extensions, produisant la carte 3D finale. L’exploit cartographique contient 200 000 cellules et 523 millions de connexions entre les neurones, appelés synapses.
Le cerveau contient différents types de cellules qui remplissent différentes fonctions, y compris les neurones, qui envoient des signaux et des cellules gliales, qui soutiennent la fonction des neurones. L’outil d’apprentissage automatique distingué entre les dizaines de types de cellules en fonction de leurs caractéristiques physiques.
Forrest Collmanun neuroscientifique à l’Institut Allen et auteur principal de deux des articles, a déclaré que cet ensemble de données était trois fois plus grand qu’un connectome tiré de partie d’un cerveau humain et 40 fois plus grand qu’un connexion du Brain de mouches des fruits entiersce qui en fait le plus grand Connectome à ce jour.
Malgré la dense de l’ensemble de données, Reimer a déclaré qu’il était incomplet – certaines cellules cérébrales sont manquantes.
Le connectome contient également des extensions « orphelines » qui ne semblent émaner d’aucune cellule. Cela pourrait être dû au fait que les cellules elles-mêmes n’ont pas été détectées par l’algorithme d’apprentissage automatique ou parce que les extensions sont liées aux cellules en dehors des limites de la région échantillonnée.
« Il y a beaucoup de relecture qui est nécessaire », a déclaré Reimer, et une grande partie de cette double vérification doit être faite manuellement par des scientifiques. Cela dit, son équipe a développé un outil logiciel pour automatiser partiellement cette étape de raffinement.
De nouvelles perspectives sur les connexions neuronales
Il y a un adage disant des neurones qui « Firez ensemble le fil ensemble, » Ce qui signifie, au moins sur de courtes distances, les cellules cérébrales qui s’activent en tandem sont plus susceptibles de former des connexions. Le connectome a révélé que ce modèle tient vrai sur des traits plus longs, couvrant la largeur de 1 mm du bloc échantillonné.
Collman a déclaré que le Connectome a également révélé de nouvelles informations sur la façon dont les neurones dits inhibiteurs – qui rendent les autres neurones moins susceptibles de tirer – Éteignez réellement le tir dans les neurones excitateurs.
Avant que le Connectome ne soit disponible, les neuroscientifiques n’étaient pas sûrs si les neurones inhibiteurs ciblent les cellules spécifiques dans un réseau donné, plutôt que d’affecter simplement les neurones locaux qui se trouvent à portée de main de leur câblage, a déclaré Collman. Le connectome a révélé que les cellules inhibiteurs provenant de différentes zones du cerveau peuvent converger sur les mêmes cellules cibles situées loin, ce qui suggère que leur inhibition est très spécifique.
Plus d’informations pourraient sortir de ce connectome à l’avenir.
« Les auteurs ont rendu les données associées au document accessibles au public », a déclaré Max aragonun doctorant en neurosciences à l’Université de Princeton non impliquée dans le travail. « Il s’agit d’une aubaine massive de la communauté des neurosciences », a-t-il déclaré à Live Science dans un e-mail, notant que d’autres chercheurs peuvent désormais tirer parti des données pour leur propre travail.
En plus de révéler le fonctionnement du cerveau, le Connectome pourrait « fournir des informations cruciales pour lutter contre les troubles neurologiques où le dysfonctionnement du circuit joue un rôle », a déclaré Mujica-Parodi – par exemple, l’accumulation de plaques dans la maladie d’Alzheimer et la formation de Lésions dans la sclérose en plaques endommager souvent les réseaux de neurones.
Et le travail ne s’arrête pas là. « Le cube millimétrique est immense dans un sens », a déclaré Reimer, « mais ce n’est qu’une fraction du système visuel de la souris. »
Au cours de la prochaine décennie, l’initiative cérébrale des National Institutes of Health se concentrera sur le développement d’un connexion de l’ensemble du cerveau de souris, a-t-il ajouté, ce qui pourrait aider les chercheurs à comprendre les circuits à longue distance entre différentes régions cérébrales.
Cependant, l’avenir de ce projet est actuellement incertain, car Le Congrès a réduit 278 millions de dollars du financement de l’année dernière.
Note de l’éditeur: Max Aragon a précédemment travaillé avec deux des auteurs de l’étude, Chris Xu et Sven Dorkenwald.
